voila un exemple de calcul bilan thermique & matière pour l'atelier sulfurique
BILAN THERMIQUE
Données :
- Enthalpies des réactions :
Combustion du soufre : ∆HR1 = - 70.96
kcal/mole
Conversion catalytique : ∆HR2=
- 21.9kcal/mole
Absorption de SO3 : ∆HR3=
- 31.063kcal/mole
Dilution de H2SO4
de 100% à 98.5% : ∆HR4=
- 0.2867 kcal/mole
- Chaleurs
spécifiques Cp en kcal/kmole°K:
Azote N2 : Cp=6,5
+ 10^-3 T
Oxygène O2 : Cp=7,9 + 0,833.10^-3 T
Anhydride sulfureux SO2 : Cp=7,70 + 5,3.
10^-3 T - 0,83.10^-6 T^2
Anhydride sulfurique SO2 : Cp=6,077 +
23,537.10^-3 T - 96.87. 10^-7 T^2
Soufre liquide entrée four : Cp=0,32 kcal/kg°K
Eau de procédé : Cp=1 kcal/kg°K
Air de combustion : Cp=0,2413
kcal/kg°K
Acide sulfurique produit : Cp= 0.34 kcal/kg°K
- Températures :
Soufre liquide : T = 140°C .
Air humide : T
= 25 °C .
Eau decilisée : T
= 25°C .
Eau récupéré de l’air
humide : T = 25 °C .
Gaz sortant du four : T = 78°C .
H2SO4 :
T = 40°C .
Eau alimentaire : T = 115 °C .
Eau de mer : T
= 16°C .
1- calculs des quantités de
chaleurs fournies au système :
On a le débit molaire du soufre liquide :
Ms = Qm (S) / 32
Ms = 1126.7 Kmole
Donc :
∆H1
= Ms * ∆HR1
∆H1
=7.995 kcal/h
∆H1
=92.83 MW
2-conversion catalytique :
A / - 1iere couche :
Taux de conversion est de 52.5 %.
On
a Ms =Mso2=1126.7 kmole / h
Donc:
∆H2 = Mso2 * ∆HR2
* 0.525
∆H2 =15.04 MW
B / -2éme couche :
∆H3 =
Mso2 * ∆HR2 * 0.3
∆H3 =8.59
MW
C / - 3éme couche :
∆H4 =
Mso2 * ∆HR2 * 0.11
∆H4 =3.15
MW
D / - 4éme couche :
∆H5 =
Mso2 * ∆HR2 * 0.06
∆H5 =1.71
MW
E / -pour les 4 couches :
∆H6 =
Mso2 * ∆HR2 * 0.995
∆H6 =3.15
MW
3/-absorption de SO3 :
On a 1 mole de SO2
donne 1 mole de SO2
A / - tour intermédiaire :
∆H7 =
Mso2 * ∆HR3 * 0.935
∆H4 =37.99
MW
B / - Tour final :
∆H8 = Mso2
* ∆HR3
* 0.06
∆H8 =2.43 MW
C / - Absorption dans les deux tours:
∆H9 = Mso2
* ∆HR3
* 0.06
∆H9 =40.43MW
4 / -dilution de H2SO4
:
∆H10 = Mso2
* ∆HR4
* 0.995
∆H8 =0.36 MW
5 / - l’air humide:
∆H11
= Qair*dair*Cpair*Tair + Qeau/air*Lv
∆H8 =4.65
MW
6 / -soufre liquide :
∆H12
= Qs* Cps * Ts
∆H8 =1.87 MW
7/-Quantités
de chaleurs emportés :
A /
-Acide produit :
∆HAP
= Qm* Cp * T
∆H8 =1.74 MW
B / -
Gaz rejetés par la cheminée :
∆Hgaz =∆H(O2) + ∆H(N2) + ∆H(SO2)
∆Hgaz =Σ(Mi*Cpi*Ti)
∆Hgaz
=4.81 MW
C / -
L’eau de mer :
·Données :
Tour de séchage
|
Tour d’absorption intermédiaire
|
Tour d’absorption finale
|
Acide produit
|
|
Débit d’acide
(m3/h
|
770
|
1190
|
755
|
70
|
Température d’entrée
|
99
|
99
|
94
|
101
|
Température de sortie
|
67
|
72
|
76
|
34
|
Masse volumique moyenne
|
1769
|
1769
|
1769
|
1788
|
Chaleur spécifique moyenne
|
0.365
|
0.366
|
0.366
|
0.357
|
La chaleur specifique de l’acide sulfurique
produit est donnée par :
Cp = 0,324 +4,95 . 10^-3 T
Calculs :
Q = D * Cp * ∆T
Equipements
|
Quantités de chaleurs en MW
|
Tour de séchage
|
18.47
|
Absorption intermédiaire
|
24.15
|
Absorption finale
|
10.2
|
Acide produit
|
3.47
|
Quantité totale (Qem)
|
56.31
|
La quantité totale est la quantité
de chaleur emportée par l’eau de mer lors du refroidissement de l’acide.
Donc la quantité de chaleur
emportée est :
Qe=∆HA+
∆HGAZ + Qem
7 / - Quantité de chaleur
échangées :
Données :
Débit en mole/ h
|
Temperatures en °C
|
|||||
N2
|
O2
|
SO2
|
SO3
|
Entrée
|
Sortie
|
|
Chaudière
|
7426.33
|
835.57
|
1126.7
|
0
|
1160
|
360
|
Surchauffeur E01
|
7426.33
|
560.53
|
535.18
|
591.52
|
590
|
463
|
Echangeur de chaleur à chaud E02
|
7426.33
|
835.63
|
197.17
|
929.52
|
413
|
235
|
Echangeur de chaleur à froid E03
|
7426.33
|
617.8
|
73.23
|
1053.46
|
493
|
371
|
Economiseur E04
|
7426.33
|
617.8
|
73.23
|
1053.46
|
372
|
189
|
Economiseur surchauffeur E05
|
7426.33
|
550.2
|
4.51
|
68.72
|
447
|
178
|
Quantité de chaleur
échangée :
La quantité de chaleur correspondant à une
variation dt de températures d’un mélange gazeux formé de n moles
est :
dQ = Σ (ni*Cpi*dt)
∆Q =òT2T1 (Σ ni*Cpi) dt
∆Q =òT2T1 (ni*Cpi) dt
Donc on obtient :
∆Q =M (N2) [6.5 (T1-T2) +
10^-3 T]
+ M (O2)
[7.9 (T1-T2) + 0,833.10^-3 (T1^2-
T2^2)/2]
+ M (SO2)
[7.7 (T1-T2) + 5,3.10^-3 (T1^2-
T2^2)/2 - 0,83.10^-6 (T1^3-
T2^3)/3]
+ M (SO3)
[6.077(T1-T2) + 23.537.10^-3 (T1^2-
T2^2)/2 – 96.87.10^-7 (T1^3-
T2^3)/3]
Résultats :
équipements
|
Quantité de chaleur échangée en MW
|
Surchauffeur E016
|
1.04
|
Chaudière
|
68.41
|
Surchauffeur E01
|
11.17
|
Echangeur de chaleur à chaud E02
|
14.69
|
Echangeur de chaleur à froid E03
|
10.28
|
Economiseur E04
|
14.59
|
Economiseur surchauffeur E05
|
18.25
|
Débit de chaleur
échangée : Q=138.43 MW
8 / -Chaleurs réellement
récupérée du système :
QR = Q(chaudiere) + Q(E016)
+ Q(E01) + Q(E04) + Q(E05)
QR=112.09 MW
L’eau alimentaire
|
T =
|
P = 74.1 bar
|
He = 121 kcal/kg
|
Vapeur haute pression produite
|
T =
|
P = 61 bar
|
Hv = 805 kcal/kg
|
Les
pertes causées par les purges sont estimées à 2% du débit massique d’eau, on
peut donc calculer le débit d’eau alimentaire et de vapeur HP nécessaire pour
récupérer cette chaleur :
Q = Dv * Hv - De *
He
Dv : débit de la vapeur HP.
De : débit d’eau alimentaire.
Dv = (1-0.02) * De
Dv=0.98 De
Qr = De *(0.98 Hv – He)
De = Qr / (0.98 Hv – He)
De = 144.53 m3/h
D’où
Dv = 141.67 m3/h
9 / -quantité de chaleur consommée à l’intérieur du système :
Turbosoufflante
|
|||
Entrée
|
Sorties
|
||
Vapeur hp
|
Air sec
|
Vapeur mp
|
Air sec
|
P = 59 bar
|
-
|
P = 8.8 bar
|
-
|
T =
|
T =
|
T =
|
T =
|
Le débit de chaleur consommée par
la turbosoufflante est :
Qcts = Dhp * Hhp - Dmp * Hmp
Les partes sont estimés à 9 %.
40% de la vapeur est conduite vers
la turbosoufflante. Donc :
Dhp = 0.4 * Dv
Qcts =
0.4*Dv * Hhp - [0.4*Dv –
0.09*0.4Dv]*Hmp
Avec Hhp = 805 kcal / h
Et Hmp = 732 kcal / h
Qcts = 9.13 MW
Quantité de chaleur réellement
récupérée par le système :
QRR = QR – Qcts
QRR = 102.95 MW
BILAN MATIERE
Données :
Production journalière : 2650 tonnes d’acide sulfurique. Rendement de la combustion : 100 %.
Concentration de SO2 à la sortie du four : 12% en volume des gaz de la combustion.
Rendement de la conversion 99.5 %.
Rendement de l’absorption : 100 %.
Titre de H2SO4 produit : 98.5 %.
Calcul :
1-
production
de H2SO4 :
1-1 production de H2SO4 à 100 % :
La production journalière est de 2650 tonnes à 100 %. Soit (2650*103 )/24 Kg/h.
1-1 production de H2SO4 à 100 % :
La production journalière est de 2650 tonnes à 100 %. Soit (2650*103 )/24 Kg/h.
P 100% = 110416.66 Kg /h
1-2 production
de H2SO4 à 98.5 % :
Le titre
de l’acide produit étant de 98.5%, la production de H2SO4
est :
(P 100% *100)/ 98.5 = 112098.13 Kg/h
2-
Eau
de dilution :
L’eau
de dilution utilisée pour ramenée le titre de H2SO4 de 100% à 98.5% est :
Qm(ed) = P 98.5 %*( 1.5/100%)
Qm(ed) = 1681.47 Kg/h
3- Consummation
du soufre:
Le
procédé de production du soufre se résume en trios phases principales :
·
Combustion
du soufre liquide :
S + O2 ---------------> SO2
·
Con
version de l’anhydride sulfureux en
sulfurique :
SO2 + 1/2O2 -----------> SO3
·
Absorption
de l’anhydre sulfurique :
SO3 + H2O --------------> H2SO4
D’après ces trois réactions, une mole de H2SO4
(98g) est produite par un atome gramme de soufre (32 g).
D’où le débit massique de consommation de soufre en
tenant compte du rendement de la conversion:
Qm(S) = Qm
(H2SO4)* [M(S)/M (H2SO4)]*(100/99.5)
Qm(S) = 36235.59 kg/h
4- Debit
d’anhydride sulfureux :
·
Débit
de SO2 formé lors de la combustion Qm (SO2) :
Le
rendement de la combustion est supposé a 100%, on a la réaction suivante :
S + O2 ---------------> SO2
D’après celle-ci un atome gramme
de soufre (32g) donne une mole de SO2 (64g).
D’où le débit massique de SO2
est :
Qm (SO2) = Qm (S)*(64/32)
Qm (SO2) =72108.84 Kg/h
En assimilant le SO2 à
un gaz parfait, aux conditions normales de température et de pression, à un
débit volumique de (22.4 l/mole) :
Qv(SO2) = Qm(SO2) *Vm/M(SO2)
Qv(SO2) = 25238.09 Nm3/h
5-
Débit
d’air entrant dans le four :
S + O2 -----------------> SO2
Le
titre de SO2 à la sortie du four est de 12% ; donc :
Qv (gaz)=Qv (So2)/0.12
Qv (gaz)=210317.41 Nm3/h
Sachant
que l’air atmosphérique contient 20.9% d’O2 et 79.1% de N2
alors :
Qve (O2) = Qv (gaz)*0.209
Qve (O2)
=43954.79 Nm^3/h
Qme (O2)
=62792.55 kg/h
Et :
Qve (N2) = Qv
(gaz)*0.791
Qve (N2) =166657.07 Nm^3/h
Qme (N2) =208321.33kg/h
Le
débit d’oxygène consommé lors de la combustion est :
Qvr (O2) = Qv(SO2)=25238Nm^3/h
Le
débit de O2 à la sortie du four :
Qvs (O2) = Qv (O2) -Qv (O2)r
Qvs (O2)
=18716.79 Nm^3/h
6- Debit
de SO2 transformé en SO3:
·
Le
rendement de la conversion étant 99.5% donc :
Qm(SO2/SO3)=
Qm(SO2)*0.995
Qm(SO2/SO3)=71748.29
kg/h
Ou encore:
Qv(SO2/SO3)=
Qv (SO2)*0.995
Qv(SO2/SO3)=25111.89
m^3/h
·
Débit
de SO2 à la sortie de la cheminée :
Qm (SO2)ch=Qm (SO2)*(1-0.995)
Qm (SO2)ch=360.54 kg/h
Ou
encore :
Qv (SO2)ch=Qv
(SO2)*(1-0.995)
Qv (SO2)ch=126.19
m^3/h
7-
Débit
d’oxygène consommé lors de la conversion :
On a:
SO2 + 1/2O 2 --------------> SO3
Donc:
Qvc (O2) =
[Qv (SO2)/2]*0.995
Qc (O2)
=12555.94m^3/h
Ou encore :
Qm (O2)c=Qm (SO2)*32/22.4
Qm (O2)c=35874.14kg/h
8-
Débit
d’oxygène à la sortie de la cheminée :
Ce
débit est la différence entre le débit d’oxygène à l’entrée du four et les
débits d’oxygène consommés lors de la combustion et le conversion :
Qv (O2)ch = Qve (O2)- Qvc (O2)-
Qvr (O2)
Qv (O2)ch =6160.85 m^3/h
D’où :
Qm (O2)ch = Qv
(O2)ch*32/22.4
Qm (O2)ch=8801.21 kg/h
9-
Quantité
d’eau continue dans l’air humide:
En
tenant en considération l’humidité absolue l’air 2.05 %.cette quantité d’eau
récupérée lors du séchage de cet air est :
Qv (eau/air) = Qv (air sec)*H
Qv (eau/air) = [Qv (O2) +Qv (N2)]*H
Qv (eau/air) =4331.24 m^3/h
Le
débit d’air humide est égale à :
Qv (air hum)=Qv (eau/air) +Qv (air sec)
Qv (air hum)=214648.65 m^3/h
10- Débit de l’anhydride
sulfurique :
On a
d’après la réaction de conversion :
n(SO2) = n(SO3)
Qv(SO3) = Qv(SO2)
* 0.995
Qv(SO3) = 2511.89 m^3/h
Qm(SO3) = Qv (SO3) *
80/22.4
Qm(SO3) = 89685.32 kg / h
11- Débit d’eau de procédé :
Soit la
réaction : SO3 + H2O ------------> H2SO4
1mole + 1mole -----------> 1mole
80g +
18g --------------> 98g
Le rendement de l’absorption étant
de 100%. On
a donc:
Qm (ep) =Qm (SO3)*18/80
Qm (ep) =20171.19 kg/h
La
quantité d’eau desilicée est :
Qm (e.d) = Qm (e.dilution) + Qm (e.p) – Qm (eau/air)
Qm (e.d) =17521.42 kg/h
Résumé :
Le bilan matière d’une ligne de
production d’acide sulfurique dans les conditions optimales, c'est-à-dire en
régime de 100 % se résume comme suit :
ENTREE :
- Soufre
liquide
36235.59 kg/h
- Air
sec
-
Oxygène
62792.55 kg/h
-
Azote
208321.33 kg/h
- Eau
de procédé
20171.19 kg/h
- Eau de dilution 1681.47 kg/h
Total = 329211.97 kg/h
SORTIE :
- Acide
sulfurique
112098.13 kg/h
- Gaz
rejetées par la cheminée
-
Oxygène
8801.21 kg/h
-
Azote
207951.33 kg/h
-
Anhydride
sulfureux 360.54
kg/h
Total = 329211.21kg/h
merci pour votre attention
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